Massgeschneiderte Solarpanels für CubeSats: Eine Studenteninitiative

Cube-Satelliten, oder CubeSats, sind kleine Satelliten, die immer beliebter werden für verschiedene Aufgaben. Die werden oft genutzt, um die Erde zu beobachten, wissenschaftliche Studien durchzuführen und die Kommunikation mit anderen Satelliten oder Bodenstationen zu erleichtern. CubeSats werden in standardisierten Grössen gebaut, gemessen in "Einheiten", wobei jedes 1U ein Würfel ist, der ungefähr 10 cm an jeder Seite misst. Da sie günstiger und einfacher zu erstellen sind als traditionelle Satelliten, werden immer mehr CubeSats ins All geschickt.

Die meisten CubeSats verlassen sich auf Solarpanels für den Strom. Diese Panels werden typischerweise von kommerziellen Quellen gekauft. Allerdings gibt es eine Marktlücke für Open-Source-Optionen, die nicht häufig verfügbar sind. Um diese Lücke zu füllen, haben wir ein Design für erschwingliche, anpassbare Solarpanels entwickelt, die auf CubeSats verwendet werden können. Diese Innovation ist besonders nützlich für Studentenprojekte, da sie dadurch ihre eigenen Panels erstellen können, Geld sparen und wertvolle praktische Erfahrungen sammeln.

#Herausforderungen mit kommerziellen Solarpanels

Obwohl kommerzielle Solarpanels leicht erhältlich sind, haben sie ihre Einschränkungen. Sie lassen sich oft schwer mit anderen Teilen des Satelliten kombinieren. Ausserdem kann ein Standard-Solarpanel für einen 3U CubeSat ziemlich teuer sein, oft im Bereich von Zehntausenden von Dollar. Diese hohen Kosten können Studenten und kleineren Teams davon abhalten, ihre Projekte zu starten. Auch Arbeits- und Entwicklungskosten treiben das Gesamtbudget erheblich in die Höhe.

Indem Studenten ihre eigenen Solarpanels entwerfen, können sie diese herstellen und Testen, was hilft, die Kosten zu senken und Ausbildungsmöglichkeiten für zukünftige Ingenieure zu bieten. Die Eigenproduktion kann zu robusteren Designs führen. Massgeschneiderte Panels können so konfiguriert werden, dass sie die beste Leistung erbringen und lassen sich einfacher in bestehende Satellitensysteme integrieren.

#Das Northern SPIRIT Projekt

2017 startete eine Gruppe von Studenten der University of Alberta den Ex-Alta 1, ihren ersten CubeSat, der Magnetometrie-Experimente in einer niedrigen Erdumlaufbahn durchführte. Auf diesem Erfolg aufbauend beschlossen sie, an einer Satellitenkonstellation namens Northern SPIRIT-Konstellation zu arbeiten, in Partnerschaft mit Studenten der Yukon University und dem Aurora Research Institute. Dieses Projekt erhielt eine Finanzierung von der Canadian Space Agency und umfasst drei Satelliten: Ex-Alta 2, YukonSat und AuroraSat.

Eines der Ziele von Ex-Alta 2 war es, Waldbrände zu überwachen, ein anderes war es, Solarpanels für alle drei Satelliten zu erstellen. Da viele Open-Source-Lösungen nicht verfügbar waren, widmete das Team eine erhebliche Menge an Zeit und Ressourcen, um eigene Solarpanel-Designs zu entwickeln. Diese massgeschneiderten Panels wurden im April 2023 erfolgreich von der Internationalen Raumstation aus eingesetzt, und hier besprechen wir ihr Design und ihre Funktionalität.

#Design und Funktionalität der Solarpanels

Wir haben ein Solarpanel-Design entwickelt, das für zukünftige CubeSat-Missionen individuell angepasst werden kann. Dieses Design enthält die Verfahren zur Montage, die Testergebnisse und zukünftige Verbesserungspläne. Vor dem Start wurden die Panels rigorosen Tests unterzogen, einschliesslich Temperatur- und Vakuumbedingungen sowie Vibrationstests.

Unsere Solarpanels waren in einem Flügel-Bereitstellungssystem organisiert, das es ihnen ermöglichte, genug Strom für die Bedürfnisse des Satelliten zu erzeugen. Jedes Panel auf Ex-Alta 2 hatte sechs Solarzellen, und wir verwendeten mehrere Sensoren, um die Leistung zu überwachen. Die Panels waren so angeordnet, dass sie zur Erde zeigten, was wichtig ist, um die Solarenergie zu maximieren.

#Montageprozess für Solarpanels

Der Montageprozess für unsere Solarpanels wurde entwickelt, um sicherzustellen, dass die Solarzellen korrekt befestigt sind, wodurch das Risiko von Problemen nach der Bereitstellung verringert wird. Wir verwendeten eine doppelseitige Klebeband-Methode zusammen mit einer Nähtechnik, um Lufttaschen zu vermeiden, die die Solarzellen beschädigen könnten. Diese Methoden wurden mehrfach getestet, um die Zuverlässigkeit sicherzustellen.

Die Panels wurden mit einem sorgfältigen Prozess hergestellt, um die Zellen an den gedruckten Schaltungen (PCBs) zu befestigen. Zuerst schnitt wir das Klebeband so zu, dass es zu den Solarzellen passte und sicherte sie an Ort und Stelle. Wir trugen Kleber vorsichtig auf, um Luftbläschen zu vermeiden. Nach der Montage wurden die Panels auf elektrische Leistung getestet, um sicherzustellen, dass sie sicher und effektiv für den Einsatz im All sind.

#Testen der Solarpanels

Rigoroses Testen war ein entscheidender Schritt in der Entwicklung unserer Solarpanels. Jede Zelle wurde auf Defekte untersucht und unter verschiedenen Lichtbedingungen auf die Stromerzeugung getestet. Wir nutzten verschiedene Lichtquellen, um zu simulieren, wie die Panels im Weltraum funktionieren würden, und um sicherzustellen, dass sie unseren Leistungserwartungen entsprachen.

Die montierten Panels wurden dann weiteren Tests unterzogen, um sicherzustellen, dass sie unter realen Bedingungen richtig funktionierten. Wir platzierten sie in einer Vakuumkammer, um den Weltraum zu simulieren, und führten Funktionstests durch, um zu bestätigen, dass sie wie gefordert arbeiten konnten. Diese gründliche Bewertung ermöglichte es uns, eventuelle Probleme zu identifizieren, bevor die Satelliten gestartet wurden.

#Bewertung von Bereitstellungsrisiken

Wir mussten auch die Risiken bewerten, die mit der Bereitstellung von Solarpanels verbunden sind. Wenn die Panels nicht korrekt bereitgestellt werden, könnte der Satellit nicht die benötigte Energie zur Verfügung stellen. Um dieses Risiko zu bewerten, betrachteten wir verschiedene Szenarien, einschliesslich dem Fall, dass die Bereitstellung der Solarpanels fehlschlägt.

Damit die Satelliten richtig funktionieren, müssen sie verschiedene Aufgaben erfüllen, die jeweils eine spezifische Menge an Energie erfordern. Wir massen, wie viel Energie unter erfolgreichen und fehlgeschlagenen Bereitstellungsszenarien erzeugt würde. Simulationen zeigten, dass die Satelliten auch im Falle eines Fehlers noch funktionieren konnten, auch wenn ihre Funktionalität eingeschränkt wäre.

#Integrierte Magnetorquer

Ein wichtiger Teil der Satellitensteuerung ist es, die Ausrichtung im Orbit zu halten. Normalerweise geschieht dies mit Attitude Control-Systemen, die ziemlich klobig sein können. Wir haben untersucht, ob man Magnetorquer, die Spulen sind, die helfen können, den Satelliten zu steuern, direkt in die Solarpanels integrieren kann, um Platz zu sparen.

Mit drei Magnetorquern, die an verschiedenen Seiten des Satelliten positioniert sind, lässt sich die Ausrichtung effektiv steuern. Die Designs wurden optimiert, um ihre Effizienz zu maximieren, obwohl die Magnetorquer im Flugmodell von Ex-Alta 2 nicht enthalten waren, da der Satellit standardisierte Systeme verwendete.

#Fazit und zukünftige Richtungen

Zusammenfassend haben wir erfolgreich anpassbare Solarpanels für CubeSats im Northern SPIRIT Projekt entworfen und getestet. Unser Ansatz bietet eine kostengünstige und praktische Alternative zu vorgefertigten Lösungen und beseitigt Barrieren für studentisch geleitete Satellitenmissionen. Wir werden diese Designs weiterhin verbessern, um die Leistung zu steigern, wenn neue Missionen entstehen.

Indem wir unsere Entwurfsdateien und Montageverfahren öffentlich teilen, wollen wir zukünftige CubeSat-Projekte unterstützen und Open-Source-Initiativen in der Raumfahrt fördern. Dieses Projekt verbessert nicht nur die Bildungsangebote für Studenten, sondern trägt auch zum wachsenden Bereich der Raumfahrttechnik bei. Während wir nach vorne schauen, werden wir uns auf die Verbesserung von Design und Funktionalität konzentrieren, um sicherzustellen, dass wir die Bedürfnisse zukünftiger Missionen erfüllen.